綜采工作面智能化采煤技術(shù)分析

武永旺

摘要：在智能制造時(shí)代背景下，煤炭行業(yè)逐步邁入智能化發(fā)展新階段。隨著我國煤礦開采技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的人海戰(zhàn)術(shù)已不能滿足當(dāng)前高效安全生產(chǎn)的需要，如何實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率成為擺在煤炭行業(yè)面前的重大課題。本文針對目前煤礦井下作業(yè)人員不足、勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低等問題，以某礦綜采工作面為研究對象，從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)到應(yīng)用場景構(gòu)建等方面進(jìn)行深入分析，并提出具體的解決方案。

關(guān)鍵詞：智能制造；采煤；架構(gòu)分析

DOI：10.12433/zgkjtz.20232436

隨著國家工業(yè)化和信息化水平的不斷提升，傳統(tǒng)制造業(yè)逐漸向“智能制造”“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”轉(zhuǎn)型升級。在中國智造2025規(guī)劃和能源革命的推動下，我國煤炭工業(yè)也在加快推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程。隨著信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代信息技術(shù)不斷應(yīng)用于煤業(yè)領(lǐng)域。作為典型的資源型產(chǎn)業(yè)，煤業(yè)的發(fā)展與國家能源戰(zhàn)略息息相關(guān)，因此，如何提升煤炭行業(yè)整體水平以及促進(jìn)清潔化發(fā)展是當(dāng)下亟須解決的問題。近年來，國內(nèi)各大煤炭企業(yè)紛紛加大對自動化裝備的投資力度以及積極探索智能化采煤技術(shù)路線，然而，對于企業(yè)而言，智能開采系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)成本高、數(shù)據(jù)獲取難度大且難以共享、數(shù)據(jù)質(zhì)量差且無法及時(shí)處理等問題仍制約著整個(gè)行業(yè)快速發(fā)展。

一、智能化采煤技術(shù)基本理論

（一）綜采工作面智能化開采的概念及特點(diǎn)

1.智能化開采的定義及其內(nèi)涵

智能化是指通過使用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來改善生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)力水平。而綜合機(jī)械化是指將機(jī)械化的各種設(shè)備有機(jī)組合，形成新工藝流程，不僅可以有效降低工人操作難度和風(fēng)險(xiǎn)，還可以減少人工投入從而降低生產(chǎn)成本。由此可見，綜合機(jī)械化是采用現(xiàn)代科技手段使采礦活動更加科學(xué)合理的一種方式。智能化是利用先進(jìn)的信息通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)過程的全面優(yōu)化。具體而言，在保證安全生產(chǎn)的前提下，通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，對煤礦的作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全生命期管理。例如，實(shí)時(shí)監(jiān)控井下人員位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測井下溫度變化情況，自動生成安全保障措施方案，自動生成產(chǎn)量計(jì)劃，等等。此外，綜合機(jī)械化是將傳統(tǒng)的單一設(shè)備或多種設(shè)備的組合模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐源笮蜋C(jī)電設(shè)備和專用設(shè)備為主體的多級遞進(jìn)式的復(fù)合式現(xiàn)代化裝備體系結(jié)構(gòu)。

2.智能化的主要特點(diǎn)與優(yōu)勢

智能化和自動化是相互聯(lián)系又有區(qū)別的概念。自動化是在一定條件下，機(jī)器能按照人的要求完成規(guī)定的功能，如按時(shí)間或按順序動作等。而智能化是一種高度復(fù)雜的人機(jī)系統(tǒng)，其核心是知識，即人類在長期實(shí)踐中積累起來的經(jīng)驗(yàn)知識以及由這些知識所形成的技能技巧等，是人適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果。因此，從本質(zhì)上看，“自動化”屬于被動性勞動，“智能化”屬于主動性勞動。人工智能具有高度的自學(xué)習(xí)性和自我完善能力（即具有無限的潛力），能夠不斷根據(jù)外界條件的變化調(diào)整自身的狀態(tài)，從而獲得最佳的工作效果，并最大限度地避免人為錯誤發(fā)生的可能性。

3.智能化采煤的主要特征

綜采工作面的智能化主要是基于“三高”（高效率、高安全性和高可靠性）原則。具體而言，通過應(yīng)用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對煤炭資源的全方位感知，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對煤炭資源的高效采集和精確處理，同時(shí)借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺和大數(shù)據(jù)平臺，建立集煤質(zhì)檢測、運(yùn)輸調(diào)度和生產(chǎn)控制于一體的信息化管控體系。此外，還通過構(gòu)建無人駕駛礦車系統(tǒng)以及無人巡檢機(jī)器人系統(tǒng)等來實(shí)現(xiàn)礦井的精準(zhǔn)定位和安全高效的生產(chǎn)運(yùn)行。

（二）智能化采煤工藝與技術(shù)的主要原理

1.煤礦開采過程及其基本規(guī)律

在作業(yè)過程中，隨著原煤不斷被開采，需要將它們運(yùn)送到指定的位置進(jìn)行后續(xù)加工和處理。在這一過程中，不僅涉及人員之間的配合和協(xié)同問題，而且存在著大量的設(shè)備之間、人與設(shè)備之間的協(xié)調(diào)配合關(guān)系。因此，要想提高工作效率和降低生產(chǎn)成本，就必須充分考慮各相關(guān)設(shè)備的協(xié)調(diào)配合問題。目前，我國大多數(shù)煤礦的綜采工作面均采用“長壁式+大傾斜+綜合機(jī)械化+自動控制系統(tǒng)”模式組織生產(chǎn)。其中，綜合機(jī)械化是利用各種先進(jìn)的技術(shù)裝備代替人工完成一些繁重且重復(fù)性的操作任務(wù)的過程，自動控制系統(tǒng)是通過使用傳感器獲取井下各個(gè)系統(tǒng)的信息并通過計(jì)算機(jī)對這些信息的分析處理后發(fā)出指令來控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程的一種裝置或軟件程序的總稱。

2.智能化的內(nèi)涵及主要特征

在傳統(tǒng)煤礦中，受到各種客觀條件的影響，如巷道狹窄，通風(fēng)不良等，傳統(tǒng)的“人—機(jī)—電—液”聯(lián)合自動化系統(tǒng)無法完全滿足實(shí)際需求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸開始探索新的技術(shù)路線和方法來解決這一問題。例如，通過對大量傳感器的安裝與布置，使整個(gè)礦井中的所有設(shè)備都具備一定的自主性，再如，根據(jù)不同工況下所要求的目標(biāo)值進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。但是這些方法仍然存在一定的不足之處。為了能夠更好地發(fā)揮其應(yīng)有的作用，需要研究如何將傳感器與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來共同完成相應(yīng)的功能。由此可見，“人—機(jī)—電—液—網(wǎng)”一體化集成已經(jīng)成為未來智能化的主要發(fā)展方向之一。

3.智能化采煤工藝技術(shù)的基本內(nèi)容

智能化采煤工藝技術(shù)的具體實(shí)施方式包括以下四個(gè)部分：一是通過在地面部署一臺具有感知功能的服務(wù)器，對井下各相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測并采集數(shù)據(jù)。二是由服務(wù)器向地面上的監(jiān)控平臺發(fā)送相應(yīng)指令信號給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的自動控制。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)值時(shí)，則向服務(wù)器反饋相應(yīng)的信息。同時(shí)對于超出設(shè)定值的參數(shù)則及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號提醒值班人員進(jìn)行處理并采取進(jìn)一步措施。三是通過安裝在井下的傳感器，實(shí)時(shí)地收集、分析、處理井下環(huán)境的各種數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控平臺上。四是由監(jiān)控平臺根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)整各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置，最終達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。

二、綜采工作面智能化技術(shù)

（一）綜采工作面智能化技術(shù)現(xiàn)狀

國外已經(jīng)普遍采用了“人—機(jī)—控—屏”（即一個(gè)操作員控制多臺設(shè)備，每臺設(shè)備上安裝一塊顯示屏）的方案。該方案可以有效解決當(dāng)前煤礦安全生產(chǎn)過程中存在的突出問題，為煤炭工業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供有力支撐。然而，這種方案的缺點(diǎn)在于它只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)控制且不能保證整個(gè)工作面的連續(xù)作業(yè)。因此，為了克服以上缺陷并且提高工作效率，許多國家已經(jīng)開始著手研發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)全礦范圍內(nèi)多點(diǎn)控制的解決方案。

（二）綜采工作面智能化技術(shù)存在問題

目前，大多數(shù)企業(yè)所采用的“人—機(jī)—電”智能一體化控制系統(tǒng)，其功能主要是將各種傳感器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，利用先進(jìn)的數(shù)字通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。然而，這種系統(tǒng)不僅成本高而且維護(hù)難度較大。另外，“人—機(jī)—電”一體化控制系統(tǒng)僅能針對某一特定地點(diǎn)或某一特定空間內(nèi)進(jìn)行集中管理，并不能夠滿足礦井安全生產(chǎn)的需求。因此，“人—機(jī)—電”智能一體化控制系統(tǒng)仍然無法從根本上解決煤礦安全生產(chǎn)中出現(xiàn)的種種難題。

“人—機(jī)—電”智能一體化控制系統(tǒng)的功能較為單一。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，工作人員往往會手忙腳亂。同時(shí)，該系統(tǒng)主要采用單線制通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和信號處理，如遇到停電等突發(fā)狀況時(shí)將會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、信號中斷等問題。此外，“人—機(jī)—電” 一體化控制系統(tǒng)對人員的要求較高且操作復(fù)雜繁瑣。因此，在面對惡劣的工作環(huán)境或者復(fù)雜的生產(chǎn)任務(wù)時(shí)，“人—機(jī)—電”智能一體化控制系統(tǒng)往往會出現(xiàn)反應(yīng)不及時(shí)的情況并造成事故發(fā)生。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開始意識到傳統(tǒng)的“人機(jī)合一”式自動化模式已無法適應(yīng)現(xiàn)代化礦山建設(shè)發(fā)展的要求。傳統(tǒng)的人力操作模式不但效率低下而且容易發(fā)生人為失誤，進(jìn)而影響整個(gè)礦區(qū)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及人員安全。為此，人們開始尋求更加先進(jìn)、高效、安全的自動化管理模式以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“人力+機(jī)械”式自動化模式。但是傳統(tǒng)的人力+機(jī)械型自動化模式的局限性非常明顯，即運(yùn)行速度緩慢，運(yùn)行精度低，使用費(fèi)用昂貴。因此，要想真正做到無人值守，就必須采取更為先進(jìn)的自動化手段取代人工勞動，從而降低生產(chǎn)成本，提升工作效率。

（三）智能化采煤工作面系統(tǒng)的主要思路

根據(jù)煤礦的作業(yè)特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，本文提出一種基于無線傳感網(wǎng)的“多級聯(lián)動”智能化開采工藝。該工藝由多個(gè)子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)的功能均通過無線傳感網(wǎng)相互連接。其中，各子系統(tǒng)中分別安裝有傳感器和控制器，并且每個(gè)微電腦的控制范圍都超過100m2 ，能夠?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)壓供風(fēng)、自動監(jiān)測瓦斯?jié)舛鹊裙δ?。此外，各設(shè)備之間還采用無線通信的方式處理數(shù)據(jù)傳遞和信號。這樣既能夠有效避免斷電導(dǎo)致的信號丟失問題，又能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)處理。

為保證“多級聯(lián)動”智能化開采工藝的正常運(yùn)行，本文提出了具有自檢功能的智能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，不僅具備檢測網(wǎng)絡(luò)是否暢通的功能，而且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。一旦某個(gè)設(shè)備的運(yùn)行出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，便會發(fā)出警報(bào)提醒管理人員及時(shí)維修或更換新設(shè)備以保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)作。另外，自檢功能還可以幫助工作人員快速判斷出哪些部件出現(xiàn)故障以便及時(shí)維護(hù)或更換，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

三、綜采工作面智能化系統(tǒng)

（一）綜采工作面智能化系統(tǒng)

本研究主要針對某型綜采機(jī)，在現(xiàn)有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對原控制系統(tǒng)中的部分環(huán)節(jié)加以改造。具體包括：將主控室內(nèi)的操作人員從原來的4人減少至1人，取消主電崗位，增加副電崗位以代替原有的主控室內(nèi)的兩個(gè)電源開關(guān)以及變電所內(nèi)的一個(gè)電源開關(guān)，取消原有控制柜中的各種按鈕及顯示儀表，使用液晶觸摸屏等。另外，為了滿足礦井安全生產(chǎn)的要求，以及方便現(xiàn)場工作人員的操作，還在原有的基礎(chǔ)上增設(shè)了相應(yīng)的輔助設(shè)施。

（二）綜采工作面智能化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

單層式綜合自動化裝置中包含有大量的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如果將其直接應(yīng)用到實(shí)際工作中將會給日常的維護(hù)帶來很大的麻煩。對此，可利用一種基于微機(jī)的遠(yuǎn)程控制方法來替代現(xiàn)有的手動操作方式。具體來說，由值班人員通過遠(yuǎn)程操控的方式實(shí)現(xiàn)對各臺設(shè)備的遙控操作并確保其按照預(yù)先設(shè)定的程序完成各項(xiàng)任務(wù)。另外，單層式綜合自動化的所有參數(shù)均被儲存在數(shù)據(jù)庫中并且可以通過互聯(lián)網(wǎng)與上級部門相連以便隨時(shí)掌握各套設(shè)備的工作狀況和故障情況。為了進(jìn)一步增強(qiáng)單層式綜合自動化的安全性，又對其增加了一些保護(hù)措施。例如，為了防止人為因素造成的誤動而導(dǎo)致的生產(chǎn)事故，提出了名為“防誤動保護(hù)電路”的方案。該方案主要是利用一組特殊的繼電器來檢測出某一時(shí)刻哪些信號出現(xiàn)異常進(jìn)而防止某些非正常的動作發(fā)生。在雙回路供電系統(tǒng)中，本文主要采用兩種供電方式：一種為傳統(tǒng)的交流接觸器—熱繼電器（HJR-B）供電方式，另一種為具有自適應(yīng)功能的直流穩(wěn)壓模塊（DC/DC）供電模式。此外，雙回路供電系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的使用需求靈活地調(diào)整電壓輸出范圍，以適用于不同功率等級的設(shè)備使用。

（三）綜采工作面智能化設(shè)計(jì)

在智能開采理念的影響下，煤炭企業(yè)都希望在現(xiàn)有條件下盡可能多地使用先進(jìn)的技術(shù)手段來提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。但是對于那些資金實(shí)力較弱的煤礦企業(yè)來講，要想在短時(shí)間內(nèi)將大量先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)投入生產(chǎn)中并非易事。鑒于此，本文針對某煤業(yè)集團(tuán)下屬某露天礦的實(shí)際條件提出了較為合理的智能化設(shè)計(jì)方案，以幫助企業(yè)提高煤炭產(chǎn)量并降低生產(chǎn)成本。在“無人化作業(yè)”系統(tǒng)中，本文首先采用了“視頻監(jiān)控+紅外探測+激光測距+聲發(fā)射技術(shù)”的組合方式來保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。其次，為了避免因?yàn)楣ぷ魅藛T出現(xiàn)失誤而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況出現(xiàn)，還專門設(shè)置了獨(dú)立的監(jiān)測站用來對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。最后，為了進(jìn)一步強(qiáng)化系統(tǒng)的可靠性及可操作性，還專門設(shè)計(jì)了一個(gè)用于記錄各種數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫以及一套用于控制各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備軟件。

四、結(jié)論

在智能開采理念的影響下，許多煤礦企業(yè)都在積極探索如何借助現(xiàn)代科技的力量來提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。其中，部分企業(yè)在實(shí)踐中已經(jīng)取得了一定成績并且為同類企業(yè)提供了很多可借鑒的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。但是對于大多數(shù)煤礦企業(yè)而言，在短時(shí)間內(nèi)將大量先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)投入實(shí)踐中并非易事。為此，企業(yè)必須結(jié)合本企業(yè)的實(shí)際情況制定出切實(shí)可行的實(shí)施方案以幫助其實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)型?？偠灾?，隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展以及智能開采觀念逐漸深入人心，智慧礦山建設(shè)已經(jīng)成為未來一段時(shí)間內(nèi)各大煤企發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。

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